Helium ist das zweithäufigste Element im gesamten Universum. Trotzdem ist es auf der Erde so gut wie nirgendes zu finden und wurde erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt. Dafür sind die Eigenschaften dieses Elements verantwortlich und vor allem die ganz besondere Art und Weise auf die es entstanden ist. Und weil es so besonders und selten ist, aber gleichzeitig auch so wichtig, könnte es uns vielleicht bald ausgehen…
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Transkription
Die helle gelbe Linie zeigt die Existenz von Helium im Spektrum des Sonnenlichts an (Bild: NASA, public domain)
Sternengeschichten Folge 141: Helium – Die Nummer 2 im Universum
Helium ist ein faszinierendes chemisches Element. Es ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im ganzen Universum. Und trotzdem wurde es erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entdeckt. Über Helium könnte man ganze Bücher schreiben oder stundenlang in Podcasts erzählen. Helium bietet Stoff für Unmengen an Geschichten – aber wir fangen am besten am Anfang an. Ganz am Anfang. Beim Urknall selbst.
Denn Helium ist deswegen das zweithäufigste Element des Universums, weil es zusammen mit dem Wasserstoff das einzige Element ist, das in relevanten Mengen direkt beim Urknall selbst entstanden ist.
Direkt nach dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren gab es noch keine chemischen Elemente. Es gab noch nicht einmal richtige Atome. Dafür war es noch zu heiß. Es gab nur Elementarteilchen, die Quarks die frei und ungebunden im All existieren. Erst etwa eine Hunderstelsekunde nach dem Beginn unseres Universums war es kühl genug, damit sich die Quarks miteinander verbinden konnten. Es entstanden die Protonen, elektrisch positiv geladenen Teilchen und Neutronen, die keine elektrische Ladung haben.
Mit den Protonen war da auch schon der wichtigste Bestandteil des häufigsten Elements des Universums vorhanden: Wasserstoff. Der Kern eines Wasserstoffatoms besteht nur aus einem einzigen Proton; musste also nicht mehr extra entstehen. Helium ist ein klein wenig komplizierter. Sein Kern besteht aus zwei Protonen UND zwei Neutronen. Protonen und Neutronen konnten sich knapp eine Sekunde nach dem Urknall zwar miteinander verbinden, aber weil es damals im Universum eben immer noch ENORM heiß war und entsprechend viele hochenergetischen Lichtteilchen durch die Gegend sausten, blieb diese Verbindung nicht lange stabil. Außerdem verbanden sich damals meist nur ein Proton und ein Neutron und bildeten kein Helium sondern Deuterium, ein Isotop des Wasserstoff.
Erst ungefähr eine Minute nach dem Urknall war es kühl genug, dass sich Protonen und Neutronen zu den Kernen von Helium-Atomen verbinden konnten. Dafür hatten sie aber nicht beliebig viel Zeit. Ist ein Neutron nicht Teil eines Atomkerns sondern fliegt alleine durchs All, dann ist es nicht stabil sondern zerfällt. Im Durchschnitt überlebt ein freies Neutron nur 10 Minuten und wenn es in dieser Zeit kein Proton findet an das es sich binden kann, hat es Pech gehabt.
In den ersten fünf Minuten des Universums gab es noch genug Protonen und Neutronen, damit Heliumkerne entstehen konnten. Danach war die Zahl der freien Neutronen aber so weit gesunken, das sich keine neuen Atome mehr gebildet habe. Man kann berechnen, wie viel Wasserstoff und Helium nach dem Urknall entstanden sein muss: Das Verhältnis muss 75 Prozent Wasserstoff zu 25 Prozent Helium betragen und genau das ist es auch, was man tatsächlich beobachtet, wenn man die Zusammensetzung der allerersten und ältesten Sterne untersucht.
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